TA15鈦合金流變模型建立及成形載荷預(yù)測

莫安軍　余勝峰　熊運森　曾　菁　陳金科　馮海軍

(中國第二重型機械集團德陽萬航模鍛有限責(zé)任公司，四川618000)

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試驗研究

TA15鈦合金流變模型建立及成形載荷預(yù)測

莫安軍余勝峰熊運森曾菁陳金科馮海軍

(中國第二重型機械集團德陽萬航模鍛有限責(zé)任公司，四川618000)

通過熱壓縮試驗研究了TA15鈦合金在高溫變形時的流動應(yīng)力，并建立了TA15材料流變應(yīng)力模型，同時對模型的可靠性進行了驗證。

TA15；流變模型；成形載荷

成形載荷大是生產(chǎn)大型鈦合金整體模鍛件的主要難點之一，因此采用數(shù)值模擬分析手段預(yù)測鍛件成形各階段載荷變化具有重要意義。如果能在大型鈦合金整體模鍛件工藝及模具設(shè)計階段引入數(shù)值模擬技術(shù)，對模鍛成形載荷進行預(yù)測，并以減小成形載荷為優(yōu)化目標(biāo)，對模具及成形工藝進行優(yōu)化設(shè)計，將大大減少鍛件試制和修模時間。

TA15鈦合金(名義成分為Ti-6.5Al-Zr-1Mo-1V)是一種近α 型中強度鈦合金，由于其良好的塑性、熱穩(wěn)定性以及高溫下抗蠕變強度高等特點，在航空航天工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，如用于飛機隔框、承力框、框梁等一些受力復(fù)雜的重結(jié)構(gòu)件[1]。

本文通過 TA15 鈦合金的熱模擬壓縮試驗對鈦合金高溫變形時流動應(yīng)力行為進行了研究，針對 TA15 鈦合金的流變應(yīng)力規(guī)律，采用二次多項式擬合lnε—lnσ之間關(guān)系對原始數(shù)據(jù)進行優(yōu)化，最終得到修正后的TA15鈦合金材料流變應(yīng)力模型，同時對模型的可靠性進行了驗證。

1　TA15高溫流變應(yīng)力試驗

TA15鈦合金原料是直徑90 mm的棒材。為了消除棒材內(nèi)應(yīng)力并使微觀組織均勻分布，在熱模擬試驗前對棒材進行退火熱處理。熱處理規(guī)范如下：加熱到1 023 K保溫90 min后出爐空冷至室溫。利用金相法測定TA15鈦合金的相轉(zhuǎn)變溫度大約為1 263 K。

采用恒定應(yīng)變速率等溫壓縮試驗分析TA15鈦合金材料高溫塑性。試驗具體參數(shù)為：試件尺寸?8 mm×12 mm，試驗溫度分別為900℃、930℃、950℃，應(yīng)變速率0.5 s-1、0.05 s-1、0.005 s-1，變形程度為50%(真應(yīng)變約為0.7)。得到的TA15鈦合金高溫流變應(yīng)力曲線如圖1所示。從圖1可以看出，在不同應(yīng)變速率和變形溫度條件下，TA15鈦合金的流動應(yīng)力曲線具有相似的特征。在變形初始階段，流動應(yīng)力隨應(yīng)變的增加達到峰值，然后流動應(yīng)力開始下降并逐漸趨于穩(wěn)定。分析原因有幾點：(1)在模擬過程中可能出現(xiàn)計算不收斂等問題；(2)恒定應(yīng)變速率試驗過程中，試驗機很難保持應(yīng)變速率恒定，在試驗初始階段及結(jié)束階段出現(xiàn)明顯的增速和減速過程；(3)在等溫成形過程中，試驗內(nèi)部溫度會升高。

2　TA15流變應(yīng)力模型建立

由試驗得到的TA15流變應(yīng)力曲線雖然真實的反映了高溫條件下材料真實應(yīng)力與溫度、應(yīng)變速率及應(yīng)變量之間的關(guān)系，但直接用于有限元模擬分析會出現(xiàn)計算不收斂等問題。各國學(xué)者對TA15鈦合金的高溫變形行為以及成形性能進行了大量的研究，建立了許多流變應(yīng)力模型，其中應(yīng)用最廣泛的是雙曲正弦修正的Arrhenius模型[2-6]。但是，由于Arrhenius模型沒有考慮應(yīng)變對應(yīng)力的影響，認為在確定溫度及應(yīng)變速率的情況下，其應(yīng)力值為恒定(一般為峰值應(yīng)力值)，而未考慮由于再結(jié)晶引起的材料軟化，因此，在預(yù)測鍛件成形載荷時，其預(yù)測值往往偏大。

(a)

(b)

(c)

圖2　lnε—lnσ的關(guān)系

TA15鈦合金高溫變形過程中對數(shù)應(yīng)變lnε與對數(shù)應(yīng)力lnσ之間的關(guān)系如圖2所示(溫度為900℃，應(yīng)變速率為0.005 s-1條件下)。采用二次多項式對數(shù)據(jù)進行擬合，發(fā)現(xiàn)擬合效果良好，相關(guān)度達到0.980 5。優(yōu)化前后材料流變應(yīng)力曲線對比如圖3所示。

圖3　優(yōu)化前后TA15真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線對比

(a)

(b)

(c)

通過以上方法對TA15不同溫度及應(yīng)變速率情況下的試驗數(shù)據(jù)進行優(yōu)化，得到的材料流變應(yīng)力曲線如圖4所示。對比優(yōu)化前后的TA15材料

流變應(yīng)力曲線可以發(fā)現(xiàn)：(1)優(yōu)化前后峰值應(yīng)力基本吻合；(2)優(yōu)化后峰值應(yīng)變增大；(3)優(yōu)化后各曲線波動減少，應(yīng)力隨應(yīng)變增大的趨勢一致。

3　模型驗證

將優(yōu)化后的TA15材料模型導(dǎo)入有限元軟件DEFORMR中對大型飛機結(jié)構(gòu)件第1梁模鍛件的模鍛過程進行了成形過程分析及載荷預(yù)測。鍛件毛坯質(zhì)量360 kg，加熱溫度為950℃，模具溫度為350℃，毛坯出爐到開始成形時間為90 s，在欠壓量為15 mm情況下，預(yù)測載荷為3.8萬t，而實際載荷為4.1萬t，毛坯整體變形與模擬結(jié)果基本一致。通過實際生產(chǎn)結(jié)果與計算機模擬結(jié)果的比較分析表明，優(yōu)化后TA15材料模型能夠有效的反映TA15鈦合金在模鍛過程中的變形行為，可以用于TA15大型模鍛件的成形過程優(yōu)化及載荷預(yù)測。

4　結(jié)論

(1)對TA15 鈦合金試樣進行等溫恒應(yīng)變速率熱壓縮試驗，得到材料真實流變應(yīng)力曲線，獲得了變形工藝參數(shù)(變形溫度、變形程度、應(yīng)變速率)對流動應(yīng)力的影響規(guī)律。

(2)根據(jù)lnε—lnσ之間關(guān)系，采用二次多項式對原始數(shù)據(jù)進行優(yōu)化，建立了TA15 鈦合金在高溫變形過程中的流動應(yīng)力模型。

(3)將TA15 鈦合金模型導(dǎo)入DEFORM軟件中對大型模鍛件整體鍛造過程進行有限元分析，其成形預(yù)測載荷與實際生產(chǎn)載荷在誤差范圍內(nèi)，驗證了模型的準確性。

[1]李興無，沙愛學(xué). TA15合金及其在飛機結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用前景[J]. 鈦工業(yè)進展，2003,20(4-5): 90-94．

[2]占家軍. TA15鈦合金熱塑性變形行為與組織演變[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué),2006.

[3]王斌. TA15鈦合金等溫鍛造工藝參數(shù)優(yōu)化研究[D]. 西安: 西北工業(yè)大學(xué),2006.

[4]段小亮. TC11和TA15盤類件制坯工藝研究[D]. 沈陽:沈陽理工大學(xué),2009.

[5]龍麗. TA15合金鍛造過程的數(shù)值模擬[D]. 西安: 西北工業(yè)大學(xué),2005.

[6]歐陽德來. TB6和TA15鈦合金β鍛組織演變及動態(tài)再結(jié)晶行為研究[D]. 南京:南京航空航天大學(xué),2011.

編輯杜敏

Establishment of Flow Stress Model of TA15 Titanium Alloy and Prediction of Forming Load

Mo Anjun, Yu Shengfeng, Xiong Yunsen, Zeng Jing, Chen Jinke, Feng Haijun

The flow stress of TA15 titanium alloy during the high temperature deformation has been studied by means of hot compression test. And the flow stress model of TA15 has been established as well. Meanwhile, the reliability of this model has been verified.

TA15; flow stress model; forming load

2016—05—10

O242

A